組建基于LXI總線的高效鋰離子電池測試系統 - 全文

　　手機鋰電池測試主要針對經過封裝后的電池保護電路進行功能檢測，利用電源、電子負載、多路開關和數字萬用表等儀器仿真各種充放電時的極限過壓、過流情況，檢測電池保護電路是否有效。從源頭上杜絕質量不合格的電池產品流入市場。

　　鋰離子電池的測試要求

　　為測試電池保護電路的各項保護功能是否有效，電池測試系統的主要測試步驟包括以下部分：

　　1） 常規(guī)開路電壓測試

　　電池功能測試，需要對電池進行短時間充電，并測量開路電壓，判斷電池的基本充電功能是否有效。

　　2） 過流保護及恢復測試

　　用電子負載對手機電池進行大電流放電，并測試其保護電路的內部電流切斷功能。當切斷放電回路后，測試電池能否恢復正常工作。

　　3） 工作溫度測試

　　通過萬用表讀取溫度傳感器上電阻值，測試電池工作溫度。

　　4） 過充電及恢復測試

　　用電源對手機電池進行過壓充電，測試電池保護電路能否切斷充電回路。

　　5） 過放電及恢復測試

　　用電子負載對手機電池進行過放電，測試電池保護電路能否切斷放電回路。

　　6） 交流內阻測試

　　通過交流內阻儀測試電池交流內阻。

　　鋰離子電池測試系統

　　典型的鋰離子電池測試系統應包括以下測試儀器：

　　● 多通道開關用于給待測件加載不同激勵，并切換不同測試設備

　　● 高精度數字萬用表，完成對電池的直流電壓、電流和電阻測試

　　● 兩路以上的多路電源，用于給待測件進行充電測試，以及給測試夾具供電

　　● 電子負載，用于給待測件進行放電測試

　　● 交流內阻測試儀，用于測量1kHz交流情況下鋰電池的交流內阻

　　● 工控機及測試軟件，用于控制設備完成測試

　　以鋰電池測試中過流保護及恢復測試為例，我們描述一下具體的測試過程：

　　測試系統中的計算機，通過GPIB接口向各臺儀器依次發(fā)出指令，控制測試流程。首先通過切換多路復用開關，將電子負載與待測件連接。設置電子負載工作在恒流模式，使待測件輸出一個比較大的恒定電流（例如5A），接通20ms后，將數字萬用表也通過多路復用開關與電池輸出端接通，測試電池的輸出電壓。如果電池輸出電壓為0，說明電池保護電路啟動，已經切斷電池輸出回路，此項目測試通過。如果測試結果不為零，此項目標定為測試失敗。測試結束后，迅速打開開關，切斷電子負載與電池之間的連接，因為長時間大電流放電可能對電池造成永久損壞。

　　基于以上的測試方案，2007年安捷倫推出新一代鋰離子電池測試解決方案。新方案大量使用最近幾年內推出的LXI（LAN Extensions for Instrumentation）系統測試儀器，這些LXI儀器與傳統產品相比，通過網線組建系統，簡化了系統集成的難度，提高了測試速度，而且大幅度減低了系統體積和組建成本。系統中各臺儀器通過網線或GPIB電纜與計算機連接，組建成為基于LXI平臺的混合測試系統，整個系統高度僅14U。在一些手機電池生產廠商的實際應用中，客戶告訴我們，與他們原有的測試系統配置相比，新的解決方案使系統體積縮小超過1/3，成本縮減1/4以上，而測試速度也有10%左右的提高。另外更小的機箱體積，更簡潔的系統連接以及開關電源帶來的更小的電源功耗，也帶來了許多的額外好處。

　　在測試軟件的開發(fā)上，LXI儀器同樣支持各種主流軟件開發(fā)環(huán)境，可以在VB， VC， C/C++， Labview等各種開發(fā)環(huán)境下編寫測試程序，與傳統的儀器控制方式完全相同。

　　在電池測試過程中，客戶最關心的問題除了保證電池質量，還包括如何提高電池產量，降低生產成本。另外，由于不同型號電池的電特性指標不同，測試系統在軟件和硬件方面必須具有一定的靈活性，方便客戶進行系統上的二次開發(fā)。最后，在面臨生產線每天24小時連續(xù)開機的條件下，系統儀器的質量，維護成本，也是衡量電池測試系統解決方案的一個重要因素。

　　測試系統儀器的選擇

　　電池測試系統中多路開關的選擇：

　　在單片電池測試中，多路開關主要用來向電池連接不同的負載或電源進行反復的充放電測試，也可使用多路開關進行測量儀表的切換。在普通電池測試流程中，單片電池完成全部測試大約需要數十次開關切換步驟，生產線每天的生產量通常在8000片以上，一天內單個開關的開啟閉合次數最多可以達到15萬次以上。所以良好的開關質量，以及快速的開關切換速率，是選擇開關產品的關鍵所在。

　　安捷倫34980A中提供多種高品質開關插卡。這些開關提供了同種類產品中，最快的開啟閉合時間，以及最長的開關壽命，并通過開關次數統計功能能及時報告每一個開關的工作狀態(tài)，以便提前對即將失效的開關進行更換。另外，其內置數字萬用表可以直接完成各種直流信號的高精度測量。能節(jié)省投資，提高系統集成度和測試速度。

　　電池測試系統中多路電源的選擇

　　在電池測試中，加載在待測件上的電源將多于兩路，除去為待測件的夾具供電，這些電源還用于為電池充電，并仿真各種過壓、過充現象，并檢測電池保護電路的響應情況。在進行此類測試時，電源的響應速度非常關鍵，通常對電池進行過充，時間不能超過1秒，否則可能引發(fā)電池燃燒爆炸，而為了保證測試速度，這個時間一般限制在幾百毫秒。

　　N6700模塊化直流電源，每臺電源機箱在1U高度內可置入多達4個電源模塊，組成相互獨立的多路電源。另外，這些電源模塊均內置電壓電流測量功能，可以監(jiān)測輸出狀態(tài)，無須切換到其他測量儀器。在自動測試系統中，模塊化電源系統可以大幅度縮小多路電源體積，減低系統成本，成為當今搭建測試系統的電源首選。

　　電池測試系統中電子負載的選擇

　　電子負載用于測試電池的放電情況，以及仿真電池在短路情況下，輸出大電流時，內部保護電路能否及時切斷電池輸出。在電池測試環(huán)節(jié)中，大電流放電時間不能超過30ms，不然會引起意外的電池燃燒或爆炸，所以為保證測試安全，此類測試對電子負載的響應速度以及電流變化速度的要求非常高。

　　安捷倫提供多種電子負載產品，其中快速的電流變化速度，最高可以達到107A/S。內置16bit電壓電流回讀功能，可以實時測量工作狀態(tài)下的電壓電流值，而無須切換到其他設備。

　　交流內阻測試儀的選擇

　　電池的內阻值直接與電池電芯質量和電池包裝質量相關，如果測量到的電池內阻值高于預期值，將說明電池質量很可能有問題。由于鋰離子電池經常伴隨動態(tài)負載，工作中常伴隨產生大量的電流脈沖，測量1kHz下的電池交流內阻已經成為電池內阻測量的行業(yè)標準。電池內阻越低，表明電池輸出的電壓值越穩(wěn)定。因此測量1kHz下的電池內阻將可以非常有力的說明電池在動態(tài)負載體條件下，對自身輸出電壓的調節(jié)能力。安捷倫動態(tài)內阻測試儀4338B可以幫助解決交流內阻測試上的問題，提供高速準確的測量結果。

　　通過以上這些儀器，可以非?？焖俚慕M建起一個高效的電池測試系統。其中大部分儀器具有良好的擴展能力，比如34980A開關系統，可以通過插卡擴展更多的測量通道，N6700可以通過插入電源模塊增加系統中電源的數目或提高電源輸出功率等。這套系統還具有很好的擴充功能，經過非常簡單的修改后，可以應用在其他大容量電池的測試中，如PDA，筆記本電腦以及數碼攝像機等的電池測試。